Flash annealing–engineered wafer-scale relaxor antiferroelectrics for enhanced energy storage performance

材料科学 电介质 储能 薄脆饼 退火(玻璃) 电容器 反铁电性 光电子学 结晶 热稳定性 热的 堆栈(抽象数据类型) 微观结构 不稳定性 电压 计算机数据存储 介电强度 能量密度 闪光灯(摄影) 极化(电化学) 热能储存 快速热处理 三元运算 凝聚态物理
作者
Yizhuo Li,Kepeng Song,Meixiong Zhu,Xiaoqi Li,Zhaowei Zeng,Kangming Luo,Yuxuan Jiang,Zhe Zhang,Cuihong Li,Yujia Wang,Bing Li,Zhi-Hong Wang,Zhidong Zhang,Weijin Hu
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:11 (46): eady2349-eady2349
标识
DOI:10.1126/sciadv.ady2349
摘要

Dielectric capacitors are essential for energy storage systems because of their high-power density and fast operation speed. However, optimizing energy storage density with concurrent thermal stability remains a substantial challenge. Here, we develop a flash annealing process with ultrafast heating and cooling rates of 1000°C per second, which facilitates the rapid crystallization of PbZrO 3 film within a mere second, while locking its high-temperature microstructure to room temperature. This produces compact films with subgrain boundary fractions of 36%, nanodomains of several nanometers, and negligible lead volatilization. These contribute to relaxor antiferroelectric film with a high breakdown strength (4800 kilovolts per centimeter) and large polarization (70 coulombs per square centimeter). Consequently, we have achieved a high energy storage density of 63.5 joules per cubic meter and outstanding thermal stability with performance degradation less than 3% up to 250°C. Our approach is extendable to ferroelectrics like Pb(Zr 0.52 Ti 0.48 )O 3 and on wafer scale, providing on-chip nonlinear dielectric energy storage solutions with industrial scalability.
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